Giáo trình đại cương khoa học vật liệu phần 1

NGUYEN NANG ĐỊNH

DAI CUONG

KHOA HOC VAT LIEU

NHÀ XUẤT BẢN DAI HOC QUOC GIA HA NOI


MUC LUC
Trang
Lỗi N01 đẦƯ ere menses khekesasltsssdesosdllsuiileedsSOotx©UEBRIENWGEGGUBDStASNNSBSỸ 7

Chương 1. CÂU TRÚC NGUYÊN TỪ VÀ LIÊN KÉT.......................5-:c55: 9
l;l, CẤU LG

NBUVÊN TỀ,. . . .

cũ nu nho du G025)820830.001880230830884 9

1.2, Cấu trúc điện tử trong nguyên tử...............................-cccccererirres 10

1.2.3. Cầu trúc điện từ của nguyên tử nhiễu điện tử .
. Các kiểu liên kết nguyên tử và phân tử

.16
gece)

Bàn nể:
¡.3 2. Liên kết cộng hoá tị.................

c2

20
27

1.3.3. Liên kết kim loại....................
s22
222222212
cxe 33

1.3.4. Lién két nhóm thứ hai — liên kết yếu.......................-..-.-222sc-ces 36

Chương 2. CẤU TRÚC TINH THỂ..
2.1. Đối xứng trong mạng tỉnh thể..
2.1.1.

đuối

Định nghĩa, tính chất 0

0Ơ

41

2.1.2. Diễn giải 32 nhóm đối xứng điểm.......................... se 45
Rý hiểu tính tHỂ:ciccssiSaciaodittobltdiosetaduaopDinsaodssdfi 53
2:3.L. Khút niệm CHUNG coe cosseumaemmmonsmmmemmeremes

2.2.2. Kí hiệu tỉnh thể học
2.2.3. Mười bốn kiểu mạng Bravais...

33:

... 04

Cấu trúc tỉnh thể kim loại điển hình.............................---ccccccrsecres 68
2.3.1. Cấu trúc tỉnh thể lập phương tâm khối (BCC)........................ 68
2.3.2. Cấu trúc tỉnh thể lập phương tâm điện (FCC)......................... 70


DAI CUONG KHOA HOC VAT LIEU

4

2.3.3 Cấu trúc tỉnh thể lục giác xếp chặt (HCP)..................s
c2 72
2.3.4. Vị trí nguyên tử trong ô cơ sở lập phương............................... 74

2.3.5. Hướng trong ô cơ sở lập phuong ......... cece
eee
2.3.6. Chỉ số Miller của các mặt tỉnh thể mạng lập phương..

#5
nll

2.3.7. Chỉ số mặt và hướng tinh thé trong mạng lục giác.................. 83

2.4. Mật
2.4.1.
2.4.2.
2.4.3.

độ vật chất của tỉnh thể..........................252221 2222211221 2 se 85
Khối lượng riêng........................-:-2222
2 22112222211122111022221 2e. 85
Mật độ nguyén tr trén mat tinh thé oo... ccc
cece
.86
Mật độ nguyễn tử cạnh........................22-2221 2222212212. crree %8

Chương 3. CÂU TRÚC VỮNG NÀNG LƯỢNG..
3.1. Mạng đảo của mạng tỉnh thể....................

3.1.1. Cách xây dựng mạng đảo tử mạng tỉnh thẻ thực..................... 89
3.1.2. Y nghia thuc tế của mạng đảo .......................
.- che
nheerire 93

3.2. Diện tử trong trường tuần hoàn - Lí thuyết vùng năng lượng....94
3.2.1. Cơ sở của phương pháp một điện tử........................... 2140007388 94

3.2.2. Định lý Bloch
3.2.3. Mẫu trong Kronig — Penmmey...

3.2.4. Tính chất đối xứng của e(k) ở trong MB..
3.2.5. Mặt đẳng năng trong miễn Brillouin.............................--.-...--

3.2.6. Phương pháp liên kết chặt LCAO.................................. sister
3.2.7. Chuẩn hạt: “Điện tử” và “lỗ trồng” trong tỉnh thể.................. 117

Chương 4. VẬT LIỆU KIM LOẠI, ĐIỆN MÔI VÀ BẢN DẪN...

4.1. Vật liệu kim loại và điện môi

4.1.1. Độ dẫn điện trong kim loại.....................
¿s5 222122 rre
4.1.2. Vận tốc cuỗn của điện tử trong kim loa... eerie

4.1.3. Điện trở suất của kim loại

4.1.4. Cấu trúc vùng năng lượng của kim loại.

4.1.5. Cầu trúc vùng năng lượng của chất cách điện

(chât điện môi) .......................... che

133


_MỤC LUC

-

-

5

. 135
ereeeree
.......
HH2

.......
che
4.2. Vật liệu bán dẫn...........

3:2.Ì. Bán dẫu KHUẪN nu ngpn uốn gingổ ho nhà GD AHg gưa nga iRanne 135

.--55cc 143
22221222 tre
4.2.2. Bán dẫn tạp chất............22........
4.2.3. Hiệu ứng pha tạp và nồng độ tạp chất trong bán dẫn tạp...... 149
4.4. Tính chất quang của vật liệu.......................-ccscrrerrrerirrree 156

4.4.1. Ảnh sáng và phô điện- từ....

„S7

4.4.2. Khúc xạ, chiết suất..........

„155

4.4.3. Phổ hấp thụ, truyền qua và phản xạ ánh sáng ..

.. 160

........ 169
rererrereirree
cá
Chương Š. VẶT LIỆU TỪ TÍNH..............
5.1. Tir truong va các đại lượng đặc trưng........................................ 169

lì.

on

435...

169

$51.2, Cail W@W. „xúsoicqdggGUA0SGRGINGLSOIGINMDGIASIRHGISWGASB

5.1.3. Độ cảm từ và độ từ thâm...
5.2. Các loại vật liệu từ...........
5.2.1. Nghich tir

§.2.2. ịAIda3ẢÃĂÁẤẮÁẮAẶ...
58 8, Sat hssemccunmcostemcnrenausencrammerrmmermnmrnmenmete
.ẽ...........
san...
5.2.5. Vật liệu feri từ. . . . . . 0022221222222 re
5.3. Đômen sắt từ

5.4. Các đạng năng lượng xác định cấu trúc đômen sắt từ...

5.4.1. Năng lượng tĩnh điện của tương tác trao đổi
(EX€hinfifE GIDTEW]sasoosnoiGeiodidoq6ilitixiiHletatttgseeesseea 182
5.4.2. Năng lượng tĩnh từ (Magnetostatic energy).......................... 183

5.4.3. Năng lượng dị hướng từ tỉnh thé
(Magnetocrystalline anisotropy energy).......................-----.-+ 184
5.4.4. Năng lượng từ đàn hồi (Magnetostrictive energy)................ 185

5.4.5. Năng lượng biến dạng đàn hi (Elastic deformation energy). 185
5.5. Cấu trúc vách đơmen

Š.6. Từ hố và khử từ, đường cong từ hoá


6

DAI CUONG KHOA HOC VAT LIEU

5.7. Vat ligu tir mém va tir cteng o.oo
........
am...
2

¬—

eae

.
5..
. ai...

....

Chương 6. CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

190

193

NOT 1n...

...........

6.1.1. Giản đồ pha của một chất tỉnh khiết................

2.

16 1on ác...
5...
6.1.3. Các hệ hợp kim đồng hình nhị phân.............
_¬
Š:1;4; Quy:

TBS
LSS

193

193
"
197

đồn bấy toasoountingitiaicaldsBotolBGiocg
RhnSsdta

.199

6.1.5. Q trình đóng rắn khơng cân băng của hợp kim................ .202

6.1.6. Giản đồ pha của hợp kim sắt-cacbit sắt (Fe-FesC).............

6.2. Kết tỉnh.......

205

206

6.2.1. Kết tỉnh kim loại.
.206
6.2.2. Kết tỉnh đơn tỉnh thể (Nuôi đơn tỉnh thể)............................ .215
6.3. Cong nghé mang MONE snes

aan

18058088

224

6:3.I. Giối:tiệu chưng cossssssennsrnansnenrdarosinoiaroiatnSouiniiali0153300010Ø 224

6.3.2. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVID)...............

225

6.3.3. Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (PVD)....................... 227

6.4. Công nghệ vật liệu cấu trúc nanô....
Tài liệu tham khảo

de


a.

Lời nói

a

_

đầu ...

“Đại cương khoa học vật liệu” là mơn học cơ sở của ngành Vật lý kỹ thuật
thuộc Trường Đai học Công nghệ, Đại hoc Quốc gia Hà Nội. Giáo trình “Đại
cương khoa học vật liệu” được biên soạn nhằm phục vụ giảng dạy và học tập
trong Khoa Vật lý kỹ thuật và Cơng nghệ nanó, Trường Đại học Cơng nghệ.

Giáo trình giúp sinh viên củng cố và nắm vững các kiến thức về bản chất liên
kết, cấu trúc tỉnh thể, tính chất của vật liệu (dặc biệt là vật liệu bán dẫn và tử

tính) và phương pháp chế tạo vật liệu. Giáo trình gốm 6 chương:
Chương 1. Cấu trúc nguyên tử và liên kết
Chương 2. Cấu trúc tỉnh thể
Chương 3. Cấu trúc vùng năng lượng
Chương 4. Vật liệu kim loại, bán dẫn và diện môi
Chương 5. Vật liệu từ tính

Chương 6. Cơng nghệ chế tạo vật liệu
Giáo

trình

cịn

nhằm

mục

đích

phục

vụ các đối

tượng

học

tập

và

nghiên cứu về công nghệ nuôi đơn tỉnh thể, vật lý chất rắn trong các ngành
kỹ thuật thuộc các trường đại học thuộc khối khoa học tự nhiên và công

nghệ của cả nước.
Mặc dù sách và tài liệu tham khảo về vật liệu trên thế giới là vô cùng

phong phú cả về chất lượng và số lượng nhưng ở nước ta, tài liệu bằng tiếng

Việt về môn hoc này, nhất là về tỉnh thể hoc còn rất han chế. Giáo trình
dược biên soan

trên cơ sở đúc kết kinh nghiệm

nghiên cứu khoa học và

giảng dạy về cấu trúc tỉnh thể và công nghệ vật liêu quang diện tử của bản
thân tác giả. Ily vong rằng nó sẽ có tác dụng hữu ích, góp phần thực hiện
chủ trương xây dựng Trường Đại học Công nghệ trở thành một trường đại

hoc nghiên cứu đặc trưng công nghệ ở nước ta. Tuy nhiên, trong khn khổ

thời lượng quy dịnh, giáo trình mới chỉ giới han trong vật liệu vô cơ, chưa thể


8

DAI CUO'NG KHOA HOC VAT LIEU

để cấp dén cac vat liệu hữu cơ, polymer hay vật liệu tổ hợp - lĩnh vưc chuyên

sâu hơn về hoá hữu cơ sẽ được biên soạn trong các giáo trình tiếp theo

Trong quá trình biên soạn, tác giả khơng tránh khỏi những thiếu sót
hoặc khiếm khuyết. Tác giả sẻ rất biết ơn các độc giả về những ý kien nhận

xét, để giáo trình “Đại cương khoa học vật liệu” vừa đáp ứng yêu cầu về chất

lượng vừa có hiệu quả sử dụng cao trong các trường đại học khoa học tự

nhiên, đại học kỹ thuật và công nghệ, trong công tác nghiên cứu củng như

ứng dụng sản xuất...
Hà Nội, tháng 05 năm 2013
Tác giả


Chuong 1

CAU TRUC NGUYEN TU VA LIEN KET
1.1, Cau tric nguyén tir
Như đã biết, nguyên tử bao gồm ba loại hat co ban 1a proton, notron
và diện tử. Hiện nay cấu tạo ngun tử được mơ tả bởi mơ hình quen
thuộc: ở trung tâm của nguyên tử là hạt nhân với kích thước đường kính
khoang 10”° m, xung quanh bao bọc bởi "mây” điện tử, tùy thuộc vào
các nguyên tố mà mật độ của mây điện tử khác nhau. Nhìn chung, kích
thước của nguyên tử trong khoảng 10'° m. Khối lượng của nguyên tử tập
trung hầu hết vào hạt nhân bao gồm proton và nơtron. Một proton co khối

lượng 1.673 x 10”! g và điện tích + 1,602 x 10”? C. Nơtron có khối

lượng lớn hơn khối lượng của proton một chút, là 1,675 x 10% g, nhưng
khơng có điện tích (trung tính). Điện tử có khối lượng nhỏ hơn rất nhiều
so với proton vả nơtron, vào khoảng 9,109 x 102 g (tức là chỉ bằng

1/1836 khối lượng proton, có điện tích - 1.602 x 10” C (bằng điện tích

của một proton, nhưng trái dấu). Tuy khối lượng của điện tử là không
đáng kê so với khối lượng của nguyên từ, kích thước của nguyên tử lại

được quyết định bởi kích thước của mây điện tử bao xung quanh hạt
nhân. Các điện tử, nhất là điện tử ngoài cùng quyết định các tính chất cơ
bản của nguyên tử, như cơ, nhiệt, điện, hóa học. Do vây, hiểu biết cầu
trúc điện tử trong nguyên tử là vô cùng quan trọng trong ngành khoa học
cơng nghệ nói chung, trong vật lý nói riêng.

SỐ nguyên từ và khối lượng nguyên tử
~- Số nguyên tử của một ngun
tích điện dương) trong hạt nhân của
hịa vẻ điện tích, số nguyên tử cũng
mây điện tử (chúng ta thường nói là

tơ cho chúng ta biết số proton (hạt
nguyên tử. Trong nguyên tử trung
chính bằng số lượng điện tử trong
các quỹ đạo quay xung quanh hạt

nhân). Mỗi nguyên tố trong bảng tuần hồn có số ngun tử đặc trưng, vì


10

ĐẠI CUONG

thể số nguyên tử cho chúng ta biết
hoàn. Cho đến nay chúng ta đã biết
có số nguyên tử bằng 1 và kết thúc
Trong bảng tuần hoàn các nguyên
trên ký hiệu của nguyên tổ.

KHOA HOC VAT LIEU

vị trí của nguyên tô trong bang tuần
đến 105 nguyên tố, bắt dau 1a hydro
là hanium có số nguyên tử bằng 105
tố, số nguyên tử thường được đặt o

~

Khối lượng nguyên tử tương đối của một nguyên tố dược tính
theo s6 Avogadro (Na), tire 14 6,023 x 10” nguyén tu trong nguyén tu
gam, Đơn vị khối lượng nguyên tử ký hiệu là vw được quy ước là 1,12
khối lượng của một nguyên tử carbon 12 (tức là carbon có 6 proton và 6
nơtron). Như vậy nguyên tử carbon có khối lượng đúng bằng 12 u
Trong bảng tuần hoàn, số đứng đưới ký hiệu của nguyên tử là khối lượng
nguyên tử tính theo đơn vị carbon (còn gọi là nguyên tử lượng). Nguyên
tử gam hay phân tử gam được gọi là số nguyên tử lượng hay phân tư
lượng tính theo gam. Thí dụ, nhơm có nguyên từ lượng là 26,98, cho nên
phân từ gam của nhôm là 26,98 g. Trong một phân tử gam nhôm chứa

6,023x 10” ngun tử nhơm.

Bài tập. Tìm khối lượng (tính theo gam) của một nguyên tử dồng.

Có bao nhiêu nguyên tử đồng trong 1g đồng?
Giải. Từ bảng tuần hoàn chúng ta thay, nguyên tử lượng của dồng là

63,54. Khối lượng nguyên tử gam của đồng là 63,54 g/mol. Nghĩa là
trong 63,54 gam có 6,023x 10?” nguyên tử đồng, cho nên khối lượng của
một nguyên tử đồng sẽ bằng:

63,54g/mol
6023x103

nt/mol

x Int =1,05x10ˆ?2 ụ,

Số nguyên tử đồng có trong 1 g đồng sẽ là:
6,023x10 nt/ mol
x1gCu =9,47x10" nt.
63,54g/molCu

1.2. Cầu trúc điện tử trong nguyên tử
1.2.L Nguyên tử hydro
Nguyên tử hydro là một nguyên tử đơn giản nhất, nó chỉ có một điện
tử bao quanh hạt nhân một proton. Từ cơ học lương tử chủng ta đã biết.

mơ hình cấu tạo ngun từ hyđro có thể trình bảy trên hình 1. I.


CHƯƠNG

1. CÁU TRÚC NGUN

(J trang thái cân bằng (khơng kích thích).
nhân của hydro chiếm mức năng lượng tương
Khi hấp thụ một năng lượng photon có gia trị
mức năng lượng tương ứng với n= lvàn
lên quỹ đạo cao hơn (mức năng lượng lớn hơn)
gián đoạn. gọi là quanta (lượng từ). Điện tư

xuông mức năng lượng thấp hơn (n = 1). phát
cùng gián đoạn như trên (cùng một lượng tư)
xạ này là thuận nghịch, có cùng một ban chât.

`
tN

/

II

TỬ VÀ LIÊN KET

một điện từ bao quanh hạt
1
ứng với số lượng tửn
năng lượng bằng hiệu hai
3. điện từ được kích thích
Ï ượng năng lượng này là
kích thích sớm hồi phục
ra bức xạ với năng lượng
Qua trinh hấp thụ và nhát

ee
; fat

' @

©
X.

ne}
I8) Nàng kượng hắp thy

oe

`

ne3

,

(

“

(b) Nâng lượng
bức s.

Hình 1.1. Sơ đỗ câu tạo nguyên tử: khi hắp thụ năng lượng h›: điện tử nhảy từ mức năng
lượng thấp (n=2) lên mức năng lượng cao (n= 3), ngược lại khi điện tử nhảy từ mức năng

lượng cao xuống mức năng lượng tháp thì phát xạ photon tương ứng bằng hy [1]

Khi chuyển dời xuống mức năng lượng thấp hơn, điện tử của hydro
phát xạ ra một năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ gọi la photon (quang
từ). Độ chênh lệch mức năng lượng AE do chuyên dời từ mức năng lượng
này xuống mức năng lượng khác liên quan đến tần số v của photon theo
phương trình Planck như sau:
AE=hv

trong đó, h là hằng số Planck bằng 6,63 x 10”! 1s. Vì bức xạ điện từ có
tỉnh chất sóng liên quan đến tốc độ ánh sangc
3x 10° m/s, bước sóng
của bức xạ (2) phát ra photon như trên liên quan đến tần số v là c=Av,

cho nên chúng ta có biểu thức năng lượng phát xa và bước sóng là:

ape bY
A

Bai tap.

(1.1)

Tinh nang lượng của photon (theo J va eV) co bude sóng

121,6 nm, cho biết | eV = 1,60 x 10-19 J.


12

ĐẠI CƯƠNG KHOA HỌC VAT LIEU
Giải: Vì 1 nm = 10° m, áp dụng cơng thức trên, ta có:

hv _ 6,63x107*4 x 3x108

AE=—=
A

1216x10”

5

=1,63x107'8(J) =10,2eV
Dữ liệu nhận được từ thực nghiệm nghiên cứu phd hap thu va
xạ của một số chất khí đã chứng tỏ lý thuyết trén 14 hoan toan chính
Str dung dit ligu phd hydro, Niels Bohr vao nam 1913 đã phát triển
hình ngun tử hyđro trong đó có điện tử đuy nhất của nó bao quanh

nhân với quỹ đạo có bán kính xác định (hình
các mức năng lượng
phương trinh Bohr:
E=-

mà

trong đó:

nh?

n=1,2,3,4,§,...

1.2). Một cách gần dúng,

điện tử có thể chiếm

2xˆmc"

=-—

13,6

nˆ

phat
xác.
mơ
hạt

chỗ

được

xác

định

từ

(eV)

là số lượng tử chính

e là điện tích của điện tử

m là khối lượng điện tử.
Bài tập. Cho rằng trong nguyên tử hydro dang có điện tử chiếm chỗ
ở trạng thái n = 3, điện tử này chuyên dời xuống trạng thái n = 2. Tính:
a) Nang lượng cua photon phat xa,

b) Tần số và bước sóng cla photon,
€) Trong chuyển đời trên năng lượng đó là hấp thụ hay phát xạ.
Bản kinh
quỹ đạo
r®006 nm
SN

s
Fannie -e

~ khỏi lượng m

\

a

oT \

~ vận tốc v

+

|
„x7

Proton:

digntich +¢@

l}

iy

Quy dao dign tur

Hinh 1.2. Mơ hình chuyển động của điện tử quanh hạt nhân


13

1. CAU TRUC NGUYEN TU VÀ LIÊN KET

CHU'ONG

Giải:

a) Năng lượng của photon phát xạ bằng:
E=

_13,6eV
——
n

~J:g9gV

AE=E,-E)= =1Ư6
3 „1Ư!
3

= 1,89x1,6«
1071? =3,02x10

-19

(J)

b) Tan số của photon 1a:
AE=hv
ve

AEa 3,02x10°%
ạm
6,63x10)

=4,55x10'!(Hz)

Bước sóng của photon là:
hc

AE=e=
A

`...

a he „663x10 3x10 6 591077
(m) =659nm

he

AE

3,02x 107?

c) Năng lượng trong chuyên đời trên là năng lượng phat xa.

Theo như lý thuyết nguyên tử hiện đại, số n trong biểu thức Johr
được

gọi là số lượng tử chính, nó đặc trưng cho các mức

chính của điện từ trong ngun

từ. Từ phương

năng

trình Bohr, mức

lượng

năng

lượng cơ bản của điện tử trong nguyên tử hyđro là — 13,6 eV, ứng với
đường vạch có n = Ï trên giản đồ các mức năng lượng của hyđro (hình
1.3)

Khi

điện

từ được

kích

thích

lượng của nó tuy tăng, nhưng

lên mức

năng

lượng

cao

hơn,

năng

trị số thì nhỏ di. Thí dụ. điện tử trong

nguyên tử hydro được kích thích lên mức

lượng tử chính thứ hai, năng

lượng của nó là — 3,4 eV. Nếu như điện tử được kích thích lên mức tự do,

ứng với n = œ, thì điện tử có năng lượng bằng 0. Năng lượng, cần thiết để
đây

điện tử ra khỏi hoàn toàn nguyên tử hyđro

năng lượng Ion hóa của điện tử hydro.

là 13,6 eV, đó chính là


14

ĐẠI CƯƠNG KHOA HỌC VAT LIEU

neo

Liên tục
-

aes

“Pana
me ee
Brackett

ney

Paschen
ee

nea

Balmer

—

so

Trang thal ed bin
Lyman

Hình 1.3. Giản đồ các mức năng lượng điện tử trong nguyên tử hyđro

Chuyển động của các điện tử trong nguyên tử thực tế phức tạp hơn
rất nhiều so với chuyên động của điện tử trong nguyên tư hydro, theo mo
hình Bohr như trên. Các quỹ đạo của điện tử khơng phai là hình tron, mà
là các hình ellip khi điện tử chuyên động quanh hạt nhân, hơn nữa diện tư
là một hạt sơ cấp,

tích của vị trí (tọa độ) và xung lượng (hoặc khối lượng

x vận tốc) của nó phải tuân theo định thức bất định Heisenberg, nghia 1a

chúng ta không thể xác định dồng thời ca hai đại lượng vị trí và xung
lượng hoặc khối lượng và vận tốc của điện tử. Do vị trí của diện tư tại
thời điểm nhất định không thể xác định một cách chính xác, cho nên

chúng ta sử dụng phân bố mật độ mây điện tích để biểu điển vị trí của
diện tử trong chuyển động theo quỹ đạo xung quanh hạt nhân (hình 1.4)
Mật độ điện tử lớn nhất là ở vị trí ứng với bán

kính của quỹ đạo,

khoảng 0,05 nm — bán kinh Bohr cua nguyên tử hydro.

r*0.06 nm

` Điện từ 1s
Hình 1.4. Cầu tạo của nguyên tử hyđro

vào


CHƯƠNG

1. CẬU TRÚC NGUYÊN TỪ VÀ LIÊN KẾT

15

1.2.2. Các số lượng tử của diện tử trong n guyen ur
Theo

lý thuyết

lượng tử, chuyên

động của các điện tử quang

hạt

nhân và điện tích của chúng được đặc trưng bởi không chỉ một số lượng
tử chính (z), mà cịn bởi ba số lượng tử khác là số lượng tử quỹ đạo (/),

số lượng tử từ mm; và số lượng tử spin của diện tử ms.

Ý nghĩa của các số lượng tử:

Số lượng tử chính (n): là số ứng với sô n trong biểu thức Bohr về
cầu trúc nguyên tử. Số này đặc trưng cho các mức năng lượng chính của
điện tử và có thể cho rằng đó là các lớp vỏ nơi mà xác suất tìm thấy điện

tư (ứng với giá trị n) cao nhất. n là các số nguyên dương, trong khoảng |

đến 7. Số n càng lớn thì lớp vỏ cảng xa hạt nhân. Nghĩa là số n càng lớn
thì điện tử càng cách xa hạt nhân, do đó năng lượng của chúng càng lớn.
Số lượng từ quỹ đạo (Ù): số này đặc trưng cho các mức năng lượng

thứ cấp trong mức năng lượng chính (tách mức), nó cũng biểu thị vỏ thứ
cấp của nguyên tử, cho ta thấy xác suất tìm thấy điện tử ở đó là lớn nhất,
một khi các mức năng lượng này được điền đầy

(điện tử đã chiếm chỗ).

Các giá trị của / là /= 0, 1,2, 3,...,n - 1. Sử dụng các chữ cái s, p, d và f

đề ký hiệu các mức năng lượng có số lượng tử tương ứng:

Số lượng từ/=01
Ký hiệu của/=s

2 3
p d f

(Lịch sử của các ký hiệu s, p, d và f là do chúng có liên quan đến

vạch phố có cdu tric s— sharp, p— principal, d difusse và f- fundamental),
Mức năng lượng thứ cấp s, p, d va f cũng có thé coi 1a các mức quỹ đạo.
Số lượng từ từ (mụ): số này đặc trưng cho định hướng của quỹ đạo

ngun tử đơn và có ảnh hưởng khơng đáng kẻ dến năng lượng của điện

tư. Số m/ có thé nhận các giá trị từ - I đến + I, kể cả số 0. Khi / = 0, mỉ
cũng chỉ có một giá trị 0, khi /=

1, m/ có thể có các giá trị - 1, 0, + I.

Một cách tổng quát, m/ có thể có 2/+1 giá trị. Như vậy, ứng với SỐ s, p.d

và f có I, 3, 5 và 7 quỹ đạo.
Số lượng tử spin (m,): số này đặc trưng cho hướng spin của diện tử
trong đó có hướng lên — 'up` và hướng xuống - 'down'), tương ứng với


DAI CUONG KHOA HOC VAT LIEU

16

gia tri spin bang +1/2

và — 1⁄2. Số lượng tử spin cũng chi anh hưởng rất

ít đến mức năng lượng của điện tử. Có thẻ thấy rằng. hai diện tử vẫn có

thé chiếm chỗ trên cùng một quỹ đạo, chúng có spin ngược chiều.

Đến nay chúng ta đã biết các điện tử trong nguyên tử được sắp xếp
theo các mức năng lượng đặc trưng bởi bốn số lượng tử là n, /, mị và mị,

Theo ngun

lý loại trừ Pauli, khơng thể có hai điện tử có mức năng
lượng hồn toản giống nhau, nghĩa là chúng khơng thể có cùng một tỏ
hợp của bốn số lượng tử kế trên. Bảng 1.1 liệt kê các số lượng tử của điện

tử và các giá trị cho phép của chúng.
Bảng 1.1. Các giá trị cho phép của số lượng tử của điện tử

n_ | Số lượng tử chính

n=1,2,3,4,...

Các số nguyên dương

¡|

|/=0,1,2,3,n-l

Có n giá trị

mị | Số lượng tử từ
|

Các số từ - / đến
+1, kécas6 0

2+ I

m, | Số lượng tir spin

41/2, - 1/2

Số lượng tử quỹ đạo

|
a

| 2

1.2.3. Cấu trúc điện tử của nguyên tử nhiều điện tử
a. Số điện từ tối đa trong lớp vỏ chính của nguyên tử
Nguyên tử có cấu tạo theo mẫu Bohr gồm các vỏ bao quanh, trong
đó là các điện tử với xác suất tìm thấy lớn nhất. Số lượng các lớp vỏ

nguyên từ cho dén nay tương ứng với số lượng các ngun tố hóa học

(trong bảng tuần hoản) được tìm thấy là 7. Các lớp vỏ nguyên tứ đặc
trưng bởi số lượng tử chính. Theo lý thuyết cơ học lượng tử, số điện tử
chiếm chỗ trên các lớp vỏ nguyên tử cũng giới hạn bởi nguyên lý Pauli,
số lượng tối đa các điện tử trên mỗi lớp vỏ chính chỉ bằng 2n”, trong đó n

là số lượng tử chính. Như vậy, trên lớp vỏ thứ nhất có 2 điện tử, trên lớp

thứ hai có 8, trên lớp thứ ba có I8, trên lớp thứ tư có 32, ... Số điện tử

trên các lớp vỏ nguyên tử được liệt kê trên bảng 1.2.

17

CHƯƠNG 1. CÁU TRÚC NGUYÊN TỬ VÀ LIÊN KẾT
Bảng 1.2. Số điện tử tối đa trên các lớp vỏ chính của điện từ
'Thứ tự lớp vỏ, n

Ị

i _ Gố lượng tứ chính)

[
L—-

|
2

—

4

lớp vỏ (2n )

2
8

18

3

L

| "sé điện tử tối đa có trong

Số điện tử tối đa trên

+

các quỹ đạo

|

sỉ
sp?

sip”d'°

¬

NuI lại là

32

|

5

6

—

Một cách gần đúng, mỗi một nguyễn

fữ được xem như một quả cầu

có kích thước nhất định. Bán kính của quả cầu nguyên tử không phải là
một đại lượng cố định mà phụ thuộc vào mơi trường của chúng.

Trên

hình 1.4 trình bày mơ hình các ngun tử với bán kính tương đối. Cũng
cần nhắn mạnh răng, cho đến nay chúng ta cũng chưa thể xác định chính
xác bán kính của nguyên từ, cho nên số liệu về chúng vẫn còn chưa thông
nhất. sự khác nhau về số liệu này là do các tác giả đã áp dụng các phương
pháp khác nhau để xác định bán kính nguyên tử. Trong sai số chấp nhận
thì bán

được,

kính các ngun

tử có các giá trị trình bày trên bảng...

Chúng ta thấy một quy luật, mặc dau vẫn có những ngoại lệ nhất định,
rằng theo chiều tăng của số thứ tự nguyên tử (sd lượng tử chính), bán
kính của nguyên tử tăng lên. Thí dụ, các ngun tơ kiểm (nhóm 1A trong
bảng tuần hồn các ngun tố) có bán kính tăng dần từ Li, r= 1,57 nm
đến Na, r = 0.192 nm, K, r =0,238 nm, Rb, r = 0,251 nm và Cs, r = 0,270 nm.

Tuy nhiên, theo chiều tăng của nhóm, thí dụ từ
kính nguyên tử giảm dân. Kích thước nguyên
quan trọng trong các nghiên cứu nói chung, nhất
tượng khuếch tán nguyên tử trong trong các hợp

nhóm lA dến VIIA, bán
tử là một đại lượng rất
la trong nghiên cứu hiện

kim.

c. Cấu hình điện từ của các ngun tơ
Cấu hình điện tử của ngun tử mô tả cách sắp xếp điện tử trên các
guy đạo của nguyên tử. Cách viết cấu hình điện tử theo thơng lệ trước hết
viết các số lượng tử chính 1, 2, 3,..., tiếp theo viết các chữ s, p, d,...

Œ=n—

1), trên số lượng tử quỹ đạo điền các só điện tử tối đa. Trật tự

tơng thường sẽ là:

Is? 2s? 2p® 3s? 3p°3d!° 4s? 4p°4dl°f'4 5s? sp® 5d!9 SƑ'6s26p®6d'97s?7p®


18

DAI CUONG KHOA HOC VAT LIEU

Tuy nhiên, trật tự trên không thỏa mãn điều kiện điển đầy các điện

tử ở các mức năng lượng thấp xong, rồi mới đến các mức năng lượng cao

hơn. Cơ học lượng tử đã chứng minh trật tự đúng đối với cầu hình điện tử
tuân theo trật tự sau:

Is22s?2p®3s23p® 4s? 3đ!9 4p®5s24d!9 sp®6s2ƒ!4sđ196p®7s?
s14 6q!97p®
Để dễ nhớ, chúng ta có thể liệt kê các dãy trên theo kiểu 'định thức`,

sau đó viết theo trật tự của các đường chéo từ dưới lên trên như sau:
Bài tập. Viết cấu hình điện tử của các ngun tơ: sắt (Z = 26) va
samari (Z = 62).

Giải: Sử dụng trật tự sắp xếp các quỹ đạo nguyên tử như ở bang

trên, chúng ta có, với sắt Z = 26:

1s22s?2p°
3s? 3p 4s" 3d°,

va voi samari Z = 62:

1s? 2s? 2p°3s*3p° 4s? 3d'°4p®Ss*4d!°
5p 6s? 4f°

Trong trường hợp sắt, chúng ta thấy lớp 3d chưa được điền day.
Các nguyên tố tiếp theo sẽ có cấu hình tương tự sắt, nhưng lớp 3d tiếp
tục được điền thêm một, hai, hay ba điện tử. Đó là các ngun tố có tính

sắt từ.

Trường hợp của samari, lớp 4f cũng chưa được điền đầy, các nguyên

tô đứng trước và sau đều có tính chất giống như Sm, đó là các nguyên tố

đất hiểm.

Trên bảng 1.3 liệt kê các cầu hình điện tử của tất cả các nguyên tố
của bảng tuần hồn (có 104 ngun 16). Lưu ý rằng cũng có một số
ngun 16 ngoại lệ, khơng có cấu hình hồn tồn tn theo cách sắp xếp
nêu trên. Thí dụ, đồng (Cu) với cấu hình điện tử ngồi cùng là 3d'"4s!,
trong khi trật tự đúng phải là 3d'4s”. Nguyên nhân dẫn đến cấu hình sai
của Cu cho đến nay vẫn chưa có giải thích một cách chính

xác. Thực

nghiệm cũng chứng tỏ, có nhiều trường hợp các nguyên tử cùng số lượng
tử quỹ đạo có nhiều spin điện tử song song. Thí dụ, các ngun tố có 5
điện tử ở lớp d, chúng sẽ chiếm 5 vị trí song song của quỹ dạo d mà
không cùng chiếm một trong hai vị trí với spin ngược chiều (hình I.5).

[EIEII—IT
Các quỹ đạo d sắp xếp đúng

181L]
Các quỹ đạo d sắp xếp sai

Hinh 1.5. Cách sắp xếp đúng và sai đối với các spin ờ quỹ đạo d

CHUONG 1. CAU TRUC NGUYEN TU VA LIEN KET

19

Bang 1.3. Câu hình điện tử của 104 nguyên tử trong bảng tuần hoàn các nguyên tố

to

|
|

Si tp wy
nguyên tử |

I

TT

RNauyen
_ tổ

H

2

| He

5

1B

7
8
9

iN
mo)
F

3
4
6

10
Hi
132

P
3
a
LAI
TK
| Ca
Se

23
24
25

|V

Cr
Mn

27
28
29
30
31
32
33
34
35
36

Co
Ni
Cu
Zn
Ga
| Ge
Ay
Se
Br
Kr

38

Sr

26

37

39
40

|

Rb

59
60
61

| Pr
Nd
Pm

3s! 3p

65

Tb

3s? 3p*
3s? 3p*
3s? 3p'
! 3sg?3pế
[Ar] 4s
43?

3d 4s?

67
68
69
70
71
72
73

3d? 4s?
3d° 4s!
- 3d? 4s?

3d’ 4s?
~ 3d* 4s?
3d” 4s?
3d!9 442
3d" 4s?
-3d!° 4s?
3d! 4s?
3d° 45?
3d'° 4s?
3d! 4s?

[Kr] 5s

Pd
Ag
Cd

50
5I
2

Sn
Sb
Te

62
| Sm
63
|Eu
64; Gd

In

|

5d 6s?

Sf 6s?

Af" 6s?
af 6s?
=4
6s

- 4f 6s?
46

~ 4P 5d 6Ÿ
6s?
6s?
6s?
6s?
5d 6s?
Sd? 6s?
Sd* 6s?

75
76
71

Re
Os
Ir

4f"* Sd* 6s?
4f'* 5d9 6s?
- 4f'* 5d? 6s?

79
80
81
82
83
84
85
86
87

88

Au
Hy
TI
Pb
li
Po
Al
Rn
Fr
Ra

— 4ƒ Sd'° 6s
4ƒ" 5d!9 6s?
4f'* 5d'9 6s?
4f'* 5d!° 6s?
4f'* 5đ!9 6s?
—4f"* Sd! 6s?
41" 5d° 6s?
4f" Sd” 6s?
[Rn] 7s
7s?

by

Ww

ry

4f!? 6s?

at"! Sd! 6s?

- 4f'* 5đ? 6s

89

Ac

91
92

Pa
U

SẼ 6d 7$?
-5f* 6d 7s?

94

Pu

~5f* 7s?

Cf
EE
Em

-5f97s?

5/174)
-5f"? 7s?

No
Lr
Rf

- Sf 78?
~ Sf'* 6d 7s?
--5f!* 6d? 742

93

dd1 5s?
4d’ 5s
- dd" 5

95
96
97

Am
Cm
Bk

101

Md

4d!9 5s? Sp?

4d!° 5s? Sp
4459 Spt

[Xe] 6s
- 6S

~ Af!
4f'?
- +f
4?
4ƒ
- 4f"*
dt"

78

4d" 5s? Sp

~4d"" 5s? Sp*

Ho
Er
Tm
Yb
Lu
He
| Ta

74

- 4a"?
4d'° 5s
4d" 53?

4d" 5s? ấp"

6°

66

4p
4p?
4p*
áp*
dp’
ap*

Cấu hình electron

~ 4

4d" 5s

4d* 5s

46
47
48

Ce

90

Mo

Te
Ru
Rh

Cs
Ba

Ss?

4d 5s?
4a? 5s?

43
44
45

58

3d? 4s?

y’
Zr

| Nb

49

2s 2p?
2s° 2p'
2s? 2p’

2s? 2p?

| - 3d? 4s?

Fe

410

42

; La

2s? 2p

3s? 3p?

|

I

57

55
56

2s? 2p?
[Ne] 3s
aw

Ti

53

Xe

|

St

SỐ NHƯ: ¡ 1O EUYỂN
nguyên tư_
tẻ

54

[He] 2s
2s

| Ne
| Na
| Mg

15
16

17
IR
9
20
21

22

1s?

ic

| Al

Cau hinh electron
__

Is

I Li
Be

13

l4

|

—

98
99
100

102
103
104

Th
Np

-6d 7s?

6d? 7s?

SP 6d 73?

St’ 7s?
Sf” 6d 7s?
- Sf? 7s?

- 5£'* 752

óp
6p?
ốp)
6p*
6p*
6p®

20

ĐẠI CƯƠNG

KHOA HỌC VAT LIEU

1.3. Các kiểu liên kết nguyên tử và phân tử
Liên kết hoá học giữa
thế năng của các ngun
khơng liên kết. Điều đó có
thái bền vững nhất (trong

các nguyên tử xảy ra là do nhờ có liên kết mà
tử ở trạng thái liên kết thấp hơn ở trạng thái
nghĩa là, trong liên kết các nguyên tư ở trạng
điều kiện áp suất và nhiệt độ nhất định năng

lượng tự do của

nhất). Có

hệ thấp

thẻ chia các

nhóm: nhóm thứ nhất hay gọi là nhóm
nhóm liên kết yếu.

kiêu

liên kết mạnh.

liên kết thành

nhóm

hai

thứ hai

Nhóm thứ nhất, trong đó lực tương tác giữa các nguyên tử tương doi
lớn có thé phân chia thành ba dạng, như sau:
- Liên
lớn. dược
nguyên tử
Coulomb.

kết
tạo
kia
Liên

ion. Trong liên kết này lực tương tác giữa các nguyên tư
ra bởi sự chuyên nhượng diện tử từ nguyên tử này sang
tạo các ion trái dấu Chúng liên kết với nhau bơi lực
kết ion là liên kết mạnh. vô hướng.

- Liên kết cộng hoá trị. Lực liên kết nguyên tư khá mạnh dược hình
thành đo các cặp diện tử dùng chung, chúng tạo ra liên kết có hướng dịnh vị.

- kiên kết kim loại.

Lực liên kết nguyên

tử khá mạnh được

hình

thành do nhiều điện tử dùng chung, chúng tạo ra liên kết mạnh, vô hướng

giữa các nguyên tử.
Nhóm

thử hai có hai dạng liên kết, như sau:

- Liên kết lưỡng cực bên

Trong liên kết này, lực liên kết giữa các

phân tử tương dối yếu. chúng có lưỡng cực bên. Lưỡng cực trong một

phân tử tổn tại là do sự bất đối xứng trong phân bố mật độ điện tư trong
phân tử

- Liên kết lưỡng cực dao động.
các nguyên

tử có dược

là do phân

quanh hạt nhân của các nguyên

Đây là liên kết rất yếu, liên kết giữa
bố bất dói xứng của mật độ diện tử

từ. Lưỡng cực được gọi là dao động vì

mật độ diện tử ln thay đôi theo thời gian.

1.3.1. Liên kết ion
Liên kết ion có thể hình thành giữa các ngun tố (kim loại) điện
tích đương cao và các

ngun

tơ phi kim loại (á kim) điện tích âm

cao.

Trong q trình ion hố, điện từ từ các nguyên tử kim loại được chuyên
sang nguyên tử á Kim, hình thành rõ rệt cdc cation tích điện dương và các